CN108880521B - 一种mosfet开关驱动电路 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种MOSFET开关驱动电路，通过控制信号捕捉电路、充电电路、信号脉冲发生电路和功率放大电路，能够实现百纳秒级脉冲宽度的快速开通和关断。并且，充电电路中的第一电容在充电过程中，电阻上产生了一个正向的电压脉冲信号，该电压脉冲信号的电压超过信号脉冲发生电路高电平识别基准的部分，将识别为具有一定脉冲宽度的高电平信号，经过脉冲发生电路转换成低电平的锁存信号，以锁定在脉冲持续期间与非门逻辑门电路能够持续输出高电平，不会被输入控制信号的抖动所影响，实现低电平的纳秒级方波脉冲信号的反馈闭锁。在无脉冲输出期间使得控制信号恢复成高电平后对充电电路进行放电，确保该电路的重复工作功能。
Description
技术领域
本发明属于电力电子器件应用技术领域，具体涉及一种MOSFET开关驱动电路。
背景技术
近年来开关电源越来越追求小型化，高频化设计。能高频工作的Power MOSFET成为开关电源开关器件的首选。目前Power MOSFET工作频率已突破1MHz，超高频率的PowerMOSFET还以其优异的性能逐渐在纳秒级脉宽的脉冲电源领域取代一些专用高速开关管，既降低了成本又提高了性能。但目前的MOSFET开关驱动电路多采用专用的集成驱动芯片或是推挽电路。这种驱动电路虽然可以应用于10k-200kHz的驱动方案，但在更高频率，更窄脉宽驱动应用要求方面却不适用，极易造成Power MOSFET短路。
发明内容
本发明的目的是提供一种MOSFET开关驱动电路，用于解决现有MOSFET驱动电路工作不可靠的问题。
为解决上述技术问题，本发明提出一种MOSFET开关驱动电路，包括以下解决方案：
包括控制信号捕捉电路、充电电路、信号脉冲发生电路和功率放大电路，其中，控制信号捕捉电路包括与非门逻辑门电路，用于将MOSFET开关控制信号的有效信号输入与非门逻辑门电路的第一输入端；充电电路包括第一电容和第一电阻，第一电容输入端连接控制信号捕捉电路的输出端，第一电容输出端连接第一电阻；
信号脉冲发生电路的输入端连接第一电容输出端，信号脉冲发生电路的输出端连接所述与非门逻辑门电路的第二输入端，用于输出电平锁存信号；信号脉冲发生电路的输出端连接功率放大电路，功率放大电路用于将信号脉冲发生电路输出的信号进行功率放大生成MOSFET开关的驱动信号。
本发明通过控制信号捕捉电路、充电电路、信号脉冲发生电路和功率放大电路，能够实现百纳秒级脉冲宽度的快速开通和关断。并且，充电电路中的第一电容在充电过程中，电阻上产生了一个正向的电压脉冲信号，该电压脉冲信号的电压超过信号脉冲发生电路高电平识别基准的部分，将识别为具有一定脉冲宽度的高电平信号，经过脉冲发生电路转换成低电平的锁存信号，以锁定在脉冲持续期间与非门逻辑门电路能够持续输出高电平，不会被输入控制信号的抖动所影响，实现低电平的纳秒级方波脉冲信号的反馈闭锁。在无脉冲输出期间使得控制信号恢复成高电平后对充电电路进行放电，确保该电路的重复工作功能。
进一步，所述控制信号捕捉电路包括电源正极、第二电阻、第一开关管和电源负极连接形成的回路，第一开关管的控制端用于输入所述MOSFET开关控制信号，第二电阻和第一开关管之间的电位点连接所述与非门逻辑电路的第一输入端，与非门逻辑电路的输出端连接第一电容。具体的，第一开关管优选为光敏三极管，所述信号脉冲发生电路为第一非门逻辑电路。
进一步，所述功率放大电路包括依次连接的第二非门逻辑电路、第三电阻、第三非门逻辑电路、驱动模块，所述驱动模块包括电源正极、第二开关管、第三开关管、电源负极连接形成的回路，第二开关管和第三开关管的控制端分别连接第三非门逻辑电路，第二开关管和第三开关管的之间的连接端用于输出所述MOSFET开关的驱动信号。
具体的，上述第二开关管为PMOS型MOSFET，第三开关管为NMOS型MOSFET。
附图说明
图1是一种MOSFET开关驱动电路示意图；
图2是本发明MOSFET开关驱动电路中的信号波形图；
图3是现有技术中的一种驱动模块示意图；
图4是现有技术中的另一种驱动模块示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。
实施例一：
包括控制信号捕捉电路、充电电路、信号脉冲发生电路和功率放大电路。其中，控制信号捕捉电路包括与非门逻辑门电路，用于将MOSFET开关控制信号的有效信号输入与非门逻辑门电路的第一输入端；充电电路包括第一电容和第一电阻，第一电容输入端连接控制信号捕捉电路的输出端，第一电容输出端连接第一电阻。
信号脉冲发生电路的输入端连接第一电容输出端，信号脉冲发生电路的输出端连接所述与非门逻辑门电路的第二输入端，用于输出电平锁存信号；信号脉冲发生电路的输出端连接功率放大电路，功率放大电路用于将信号脉冲发生电路输出的信号进行功率放大生成MOSFET开关的驱动信号。
本发明通过控制信号捕捉电路、充电电路、信号脉冲发生电路和功率放大电路，能够实现百纳秒级脉冲宽度的快速开通和关断。并且，充电电路中的第一电容在充电过程中，电阻上产生了一个正向的电压脉冲信号，该电压脉冲信号的电压超过信号脉冲发生电路高电平识别基准的部分，将识别为具有一定脉冲宽度的高电平信号，经过脉冲发生电路转换成低电平的锁存信号，以锁定在脉冲持续期间与非门逻辑门电路能够持续输出高电平，不会被输入控制信号的抖动所影响，实现低电平的纳秒级方波脉冲信号的反馈闭锁。在无脉冲输出期间使得控制信号恢复成高电平后对充电电路进行放电，确保该电路的重复工作功能。
上述控制信号捕捉电路包括电源正极、第二电阻、第一开关管和电源负极连接形成的回路，第一开关管的控制端用于输入所述MOSFET开关控制信号，第二电阻和第一开关管之间的电位点连接所述与非门逻辑电路的第一输入端，与非门逻辑电路的输出端连接第一电容。具体的，第一开关管优选为光敏三极管，信号脉冲发生电路为第一非门逻辑电路。
上述功率放大电路包括依次连接的第二非门逻辑电路、第三电阻、第三非门逻辑电路、驱动模块，驱动模块包括电源正极、第二开关管、第三开关管、电源负极连接形成的回路，第二开关管和第三开关管的控制端分别连接第三非门逻辑电路，第二开关管和第三开关管的之间的连接端用于输出MOSFET开关的驱动信号。具体的，第二开关管和第三开关管优选为MOSFET，如图3所示。作为其他实施方式，第二开关管和第三开关管还可以采用如图4所示的三极管。
实施例二：
本发明提出一种百纳秒脉宽的Power MOSFET驱动电路，如图1所示，包括控制信号捕捉电路、RC充电电路、信号脉冲发生电路和功率放大电路。其中，控制信号捕捉电路包括电源正极VCC、电阻R1、光敏三极管Q1和电源负极(即电源地)连接形成的回路，电阻R1和光敏三极管Q1之间的电位点连接与非门逻辑电路U1的第一输入端，与非门逻辑电路U1的输出端连接电容C1。RC充电电路包括电容C1和电阻R2，电容C1输入端连接控制信号捕捉电路，电容C1的输出端通过电阻R2连接电源地。
信号脉冲发生电路为非门逻辑电路U2，非门逻辑电路U2的输入端连接电容C1，非门逻辑电路U2的输出端连接与非门逻辑电路U1的第二输入端，用于输出低电平锁存信号，实现低电平信号的反馈闭锁。非门逻辑电路U2的输出端连接功率放大电路，功率放大电路用于将信号脉冲发生电路输出的信号进行功率放大生成MOSFET开关的驱动信号，包括依次连接的非门逻辑电路U3、电阻R3、非门逻辑电路U4和驱动模块，驱动模块包括电源正极VCC、PMOS型MOSFET开关管Q2、NMOS型MOSFET开关管Q3、电源负极连接形成的回路，Q2和Q3的控制端分别连接非门逻辑电路U4，Q2和Q3的连接端用于输出MOSFET开关的驱动信号。
如图1所示，外部控制信号为光信号，通过无光到有光的过程，Q1与R1连接处产生从高电平转换成低电平的信号沿，如图2中的v1波形所示，该信号沿作为与非门逻辑电路U1的其中一级输入。另外一级输入不管是高还是低，U1均输出高电平信号。
U1输出的高电平信号通过电容C1和串联电阻R2接地，电阻上初始电流为0，电容上初始电压为0，高电平信号通过电阻R2给电容C1充电，电阻R2上有充电电流流过，受RC充电回路杂散电感的影响流经电阻R2的充电电流逐渐增大，电阻R2上电压逐渐升高，当电容C1上电压达到一定值时，流经电阻R2的充电电流会逐渐减小，电阻R2上电压又会逐渐下降，最终电容C1电压充至高电平输出电压时，电阻R2上电流减小为0A，电压也减小为0V。
给电容充电的过程中，电阻上产生了一个正向的电压脉冲信号。如图2中的v2波形所示，该电压脉冲信号的电压值超过非门逻辑电路U2高电平识别基准的部分，会被U2识别为高电平信号输入，其脉冲宽度将作为高电平信号被U2变换成一个反向的低电平的纳秒级方波脉冲信号。
如图2中的v3波形所示，此低电平的纳秒级方波脉冲信号一方面作为低电平锁存信号，连接到与非门逻辑电路U1的另外一级作为输入信号，以锁定在脉冲持续期间U1持续输出高电平，不会被输入控制信号的抖动所影响，实现低电平的纳秒级方波脉冲信号的反馈闭锁。并在无脉冲输出期间使得控制信号恢复成高电平后对R2、C1组成的RC电路进行放电到0V，确保该电路的重复工作功能。
电容C1放电过程中流经电阻R2的电流与充电时相反，电阻R2上产生的反向电压被识别U2识别为低电平信号，不影响正常信号的转换输出。低电平的纳秒级方波脉冲信号另一方面经过非门逻辑电路U3再经过反向转换成高电平的纳秒级方波脉冲信号，如图2中的v4波形所示。
高电平的纳秒级方波脉冲信号与实际应用所需的驱动信号波形相同，但由于普通逻辑门的输出信号缺乏驱动能力，需要进行功率放大。本发明电路输入放大电路采用功率放大芯片DEIC515，DEIC515原理示意图如图1上的U4、Q2与Q3组成的电路所示，U4是一种输出功率较大的非门逻辑门，Q2为极易驱动的PMOS型MOSFET，U4输出电压为低时导通，Q3为极易驱动的NMOS型MOSFET，U4输出电压为高时导通。
Q2和Q3共同特点是极小的驱动电流就能可靠的开通MOSFET，输出峰值电流可达15A，开通关断时间在30ns以内。U3输出的高电平的纳秒级方波脉冲信号(如图2的v4波形)经过电阻输入到芯片DEIC515的输入极，经过U4的反向，及Q2和Q3的功率放大，输出有带载能力的高电平的纳秒级方波脉冲信号。如图2中v5波形所示，该信号电压大于10V，峰值输出电流可达15A，可以有效的驱动输入电容不大于7000pf的Power MOSFET，实现百纳秒级脉冲宽度的快速开通和关断。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。
Claims (5)
1.一种MOSFET开关驱动电路，其特征在于，包括控制信号捕捉电路、充电电路、信号脉冲发生电路和功率放大电路，其中，控制信号捕捉电路包括与非门逻辑门电路，用于将MOSFET开关控制信号的有效信号输入与非门逻辑门电路的第一输入端；充电电路包括第一电容和第一电阻，第一电容输入端连接控制信号捕捉电路的输出端，第一电容输出端连接第一电阻；
所述信号脉冲发生电路为第一非门逻辑电路；所述MOSFET开关控制信号的有效信号为从高电平转换成低电平的信号沿；
信号脉冲发生电路的输入端连接第一电容输出端，信号脉冲发生电路的输出端连接所述与非门逻辑门电路的第二输入端，用于输出电平锁存信号；信号脉冲发生电路的输出端连接功率放大电路，功率放大电路用于将信号脉冲发生电路输出的信号进行功率放大生成MOSFET开关的驱动信号。
2.根据权利要求1所述的MOSFET开关驱动电路，其特征在于，所述控制信号捕捉电路包括电源正极、第二电阻、第一开关管和电源负极连接形成的回路，第一开关管的控制端用于输入所述MOSFET开关控制信号，第二电阻和第一开关管之间的电位点连接所述与非门逻辑电路的第一输入端，与非门逻辑电路的输出端连接第一电容。
3.根据权利要求2所述的MOSFET开关驱动电路，其特征在于，第一开关管为光敏三极管。
4.根据权利要求1所述的MOSFET开关驱动电路，其特征在于，所述功率放大电路包括依次连接的第二非门逻辑电路、第三电阻、第三非门逻辑电路、驱动模块，所述驱动模块包括电源正极、第二开关管、第三开关管、电源负极连接形成的回路，第二开关管和第三开关管的控制端分别连接第三非门逻辑电路，第二开关管和第三开关管的之间的连接端用于输出所述MOSFET开关的驱动信号。
5.根据权利要求4所述的MOSFET开关驱动电路，其特征在于，第二开关管为PMOS型MOSFET，第三开关管为NMOS型MOSFET。
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